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【用戶成果】眼見為實：高溫接觸角揭示Al?O?-TiO?改性鎂砂的界面行為與性能提升機制
2026-04-27
DOI：10.1016/j.ceramint.2022.10.024?
武漢科技大學李亞偉教授團隊在期刊《Ceramic?International》上發表了題為“Enhanced performance of free CaO impurity containing magnesia with Al2O3–TiO2?composite powder”的論文。研究了添加不同含量的?Al2O3–TiO2復合粉體，對含游離CaO雜質的鎂砂的物相演變與微觀結構的影響，并分析了最終協同提升其抗水化性、抗熱震性和抗渣滲透性的效果。
鎂砂(Magnesia, MgO)是鋼鐵冶煉爐（如轉爐、鋼包）內襯的核心耐火材料，優點在于熔點高、耐堿性渣侵蝕。中國利用隱晶質菱鎂礦生產的鎂砂，雖然化學純度高，但含有游離氧化鈣雜質。這會導致抗水化性差、抗熱震性差、及抗渣滲透性差等三大問題。本研究提出一種新方法在鎂砂制備過程中，加入?Al?O?-TiO??復合粉體，同時改善以上三種性能缺陷。
◆?材料配方：
輕燒鎂粉（含0.97 wt% CaO）+ Al?O?-TiO?復合粉體（等摩爾比）。復合粉體添加量分別為0 wt%, 1 wt%, 3 wt%, 5 wt%, 7 wt%。
◆ 工藝：球磨混合→ 壓制成型 → 1600°C 燒結3小時。
◆ 原位表征
1)抗水化性：持續顯著提升。重量增重率從MAT0的0.212%降至MAT3的?0.107%?，之后基本不變。
2)抗熱震性：持續提升。殘余強度比率從MAT0的15.1%提升至MAT7的?33.2%。
3)抗渣滲透性：量化膨脹指數RSI先升后降，在3 wt%添加量時最佳。滲透層厚度：MAT0為78 μm → MAT3降至33 μm → MAT7升至66 μm。
階段一：添加量從0%-3%(性能提升)
接觸角增大：實驗測量發現，添加復合粉體后，熔渣與試樣的接觸角從13.8°?(MAT0)?顯著增大，更大的接觸角意味著渣更難潤濕和滲透固體。
階段二：添加量從3→7 wt% (性能下降)
接觸角減小：實驗測量發現，從MAT3到MAT7，接觸角開始下降，更小的接觸角意味著渣更容易鋪展和滲透。
使用天津中環電爐的可視化高溫接觸角測試儀TA-Z16B01記錄樣品隨溫度升高，表面的熔渣形態和接觸角的變化過程。
添加Al?O?-TiO?后，有害的游離CaO轉化為高穩定的CaTiO?；過量添加則會生成復合尖晶石。抗水化性和抗熱震性隨添加量增加而持續提升。抗渣滲透性呈先升后降趨勢，綜合來看，添加?3 wt% Al?O?-TiO??的鎂砂綜合性能最優。
可視化高溫接觸角分析儀，可實現高溫高真空表界面性能測試，是研究高溫下不同熔體與相應基體間的接觸角變化規律的專用科研裝置，可實現高溫、高真空條件下材料的表界面性能測試。該儀器能夠對低熔點材料在升、降溫過程中的收縮、變形、熔化、潤濕、鋪展及凝固行為進行圖像化、定量化表征。
主要功能
·◆?高溫測試：最高使用溫度1600℃/2000℃/2400℃
·◆?空氣/真空/氣氛
·◆?可動態測量升降溫過程中接觸角隨時間或溫度變化的規律
·◆?可在線獲取接觸角8、液滴直徑D、液滴高度H、液滴體積V等參數，用于計算熔體的表面張力，進而評價熔體對基體材料的潤濕性
·◆?可實現對粉體、壓坯、塊體材料特征參數的實驗測量(如燒結溫度、軟化溫度、熔點等),指導陶瓷及粉末冶金制品的燒結工藝的制定和優化
·◆?可測量、記錄規則或不規則形狀樣品在燒結過程中的變形情況，與微結構演化過程相對照，可以深入理解燒結過程機制
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